熱電偶套管斷裂的原因分析及預(yù)防措施

摘要:熱電偶保護(hù)套管在高溫、高壓狀態(tài)下,受到流體的高速?zèng)_擊,會(huì)出現(xiàn)套管斷裂的現(xiàn)象。分析了用于測(cè)量流體溫度的熱電偶套管斷裂的原因,提出了防止熱電偶套管振動(dòng)斷裂的預(yù)防措施.
1引言
      溫度傳感器,如熱電偶或熱電阻,可能用于高溫、高壓及有高速流體沖擊的場(chǎng)合,必須有足夠強(qiáng)度的保護(hù)套管保護(hù)。保護(hù)套管的設(shè)計(jì)要考慮它的強(qiáng)度以保證傳感器正常、安全工作,不會(huì)彎曲和斷裂。一般來說,保護(hù)套管壁厚的增加能提高應(yīng)力強(qiáng)度,但是壁厚的增加會(huì)增加傳感器的熱惰性,即傳感器對(duì)溫度反應(yīng)變慢。所以合理設(shè)計(jì)和選擇保護(hù)套管具有重要意義。
2熱電偶套管斷裂的原因
      鑒于維護(hù)工作中出現(xiàn)的現(xiàn)象,分析有以下幾種原因:
      熱電偶套管受流體沖擊,載荷過大,應(yīng)力超過極限;熱電偶套管本身的加工缺陷,導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易造成斷裂;管道振動(dòng)過大,造成熱電偶疲勞損壞;流體流經(jīng)熱電偶套管時(shí),誘發(fā)套管振動(dòng),即套管固有頻率和流體旋渦脫落頻率接近或--致,產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這種振動(dòng)導(dǎo)致熱電偶套管的加速損壞,以致斷裂。
      在實(shí)際工作維護(hù)中,同一批同-.尺寸同樣插人.深度的套管,某一根可能運(yùn)行四五年不會(huì)損壞，而另一根可能在短期內(nèi)發(fā)生斷裂事故。故應(yīng)力越限不是主要原因。熱電偶套管在安裝使用前都要進(jìn)行探傷測(cè)試,合格后才可以安裝。所以安裝的熱電偶套管一般不存在裂紋。雖然在熱電偶套管螺口附近有一圓弧過渡段,會(huì)造成應(yīng)力集中,但此點(diǎn)已在套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)考慮了。加工缺陷也不是熱電偶套管斷裂的主要原因。管道振動(dòng)可加速套管內(nèi)熱電偶的損壞,但不是套管斷裂的主要原因。振動(dòng)過大也排除。
      在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn),共振是造成熱電偶套管斷裂的主要原因。當(dāng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象時(shí),套管就會(huì)出現(xiàn)周期性的交變應(yīng)力。如果熱電偶套管長久地承受很強(qiáng)的交變應(yīng)力,套管某些應(yīng)力高的部位就會(huì)出現(xiàn)裂紋,在蒸汽的沖刷下,套管就會(huì)產(chǎn)生斷裂。.
3共振機(jī)理
      目前流體誘發(fā)振動(dòng)機(jī)理大體可分為旋渦脫落、湍流顫振,流體彈性擾動(dòng)。其中旋渦脫落所導(dǎo)致的振動(dòng)(渦致振動(dòng))是人們研究的最早和最完善的一種機(jī)理。
      這種機(jī)理認(rèn)為:在亞音速橫向流中,任何非流線型物體尾部如果有足夠的拖跡邊緣都會(huì)產(chǎn)生旋渦脫落。當(dāng)旋渦從物體的兩側(cè)周期交替脫離時(shí),便在物體上產(chǎn)生周期的升力和阻力。這種流線譜的變化將引起壓力分布的變化,從而導(dǎo)致作用在物體上流體壓力的大小與方向的變化，最后引起物體振動(dòng)0。
      正常情況下,旋渦引起套管振動(dòng)的力量很小，可以忽略不計(jì)。但是，當(dāng)旋渦脫落的頻率與套管固有頻率相接近時(shí),會(huì)產(chǎn)生以下現(xiàn)象:
      出現(xiàn)“拍”的現(xiàn)象。旋渦強(qiáng)度呈現(xiàn)周期性,時(shí)高時(shí)低;尾流沿跨長的相關(guān)性增大;阻力增加;結(jié)構(gòu)上承受的橫向升力顯著增強(qiáng),可以提高2~3倍;頻率鎖定一當(dāng)旋渦主導(dǎo)頻率很接近套管振動(dòng)頻率時(shí)，旋渦頻率不再隨來流速度增加而升高,而是保持與結(jié)構(gòu)頻率相等,稱為頻率鎖定。直到流速增大到很大數(shù)值,使得上述兩種頻率相離較遠(yuǎn)時(shí),主導(dǎo)頻率才變化;失諧一由于非線性的耦合作用，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)振幅不是發(fā)生在旋渦頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相等處,而是在頻率鎖定段的中部[2~3]”。
      當(dāng)旋渦強(qiáng)度時(shí)高時(shí)低,套管將承受交變應(yīng)力，阻力和橫向升力也隨之增強(qiáng)。頻率鎖定和失諧現(xiàn)象說明,不是只有旋渦脫落頻率和套管固有頻率一致時(shí)才發(fā)生共振，而是一個(gè)范圍。
4振動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算
      假定阻尼系數(shù)為0,保護(hù)套管受無阻尼的強(qiáng)迫振動(dòng)。如圖1所示。

      將套管的振動(dòng)看成是連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng),根據(jù)里茨法求套管的自然固有頻率,取基函數(shù)如式(1).(2)所列。

      以上基函數(shù)對(duì)于線性變截面懸臂梁，里茨法獲得的固有頻率與正確解的相對(duì)誤差僅為0.08%[4]，所以,可以相信,取.上述基函數(shù)里茨法獲得的套管固有頻率與正確值非常接近。因此無須利用其他數(shù)值方法計(jì)算,對(duì)于上述基函數(shù),有質(zhì)量矩陣系數(shù)，如式(3)~式(5)所列。


      一般來說，流體撞擊產(chǎn)生的激勵(lì)頻率(旋渦脫落頻率)要遠(yuǎn)低于套管固有頻率，故在無其他激勵(lì)情況下,套管符合上式的頻率要求。上式也解釋了頻率鎖定和失諧現(xiàn)象。ASME(美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn))標(biāo)準(zhǔn)中要求,旋渦脫落頻率和套管固有頻率的比值應(yīng)小于0.8。
      但是,如果計(jì)算不能滿足上式的要求,就要采取措施，避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
5防止熱電偶套管斷裂的措施
      針對(duì)以上的理論分析和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),提出以下幾種措施。
a)提高套管阻尼可以降低振動(dòng)幅值。如圖2所示。

      在保護(hù)套管的插入端增加-一個(gè)保護(hù)圈,其外徑和套管安裝件的外徑相同,起到支撐作用。這樣縮短了懸臂的長度,大大減小了套管尖端的振幅。
b)增大套管外徑，減小套管內(nèi)徑可以提高截面慣性矩,亦增加了結(jié)構(gòu)的固有頻率,可以錯(cuò)開共振危險(xiǎn)區(qū)。在實(shí)際應(yīng)用中常使用這種方法。在不影響相應(yīng)時(shí)間的情況下,增加套管外徑和壁厚,可以達(dá)到很好的效果。
c)安裝位置錯(cuò)開管道彎道,閥門，節(jié)流孔板附近，以防止速度擾動(dòng),引起某一振動(dòng)。
d)改變橫截面形狀,套管表面可加工成流線型，使流體不產(chǎn)生旋渦脫落現(xiàn)象。
e)減小套管長度能有效提高套管固有頻率，并提高套管強(qiáng)度。此方法也是實(shí)際中常用的方法，但縮短多少要看具體情況。當(dāng)此溫度信號(hào)作為控制信號(hào)時(shí),縮短的長度是有限的，否則影響測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間,進(jìn)而影響控制質(zhì)量。但如果此信號(hào)只為顯示信號(hào),例如就地雙金屬溫度計(jì)等,既不參與控制,可縮短的長度相對(duì)可以多一些。
f)在熱電偶套管后安裝旋渦干擾裝置,使脫落旋渦能量分散到更寬的頻帶上,從而降低繞流圓柱體的激振力。但這樣會(huì)大大增加成本。
6結(jié)束語
      不難看出,影響套管安全使用的主要原因就是共振問題。針對(duì)這一問題，可以采取提高套管阻尼,增加壁厚,縮短套管長度等方法來預(yù)防?？梢杂行p少熱電偶絲及保護(hù)套管的損壞。